книги из ГПНТБ / Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь

Г л а в а V

ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛИ ЗХ15Н13ЮЗ

1. Применение и производственные испытания стали

Сталь ЗХ15ГПЗЮЗ может найти применение в раз­ личных отраслях машиностроительной и металлургиче­ ской промышленности в качестве недорогого жаростой­ кого материала с высокими характеристиками свойств. Она может использоваться как в литом, так и в дефор­ мированном состоянии для изготовления различных тер­ мических агрегатов, работающих при температуре до 1000—1050°С с многократным резким охлаждением. На МТЗ была проведена работа по освоению процесса плав­ ки новой стали ЗХ15ШЗЮЗ в производственных услови­ ях и получению из нее фасонного литья, уточнению хи­ мического состава с учетом плавки в кислой печи и использования заводской шихты и широкому исследова­ нию технологических и эксплуатационных свойств.

Из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ отливалась вся номенклатура деталей термических печей вместо стали ЗХ25Н19С2Л (более 80 наименований). С целью унификации применя­ емых на заводе марок жароупорных сталей отливались также экспериментальные партии деталей пз стали ЗХ15Н13ЮЗЛ вместо стали ЗХ18Н11СЛ и ЗХ18Н25С2Л.

При проведении производственных испытаний стави­ лась задача определить стойкость изделий из новой ста­ ли в наиболее тяжелых условиях работы термических печей: нормализации, закалки с охлаждением в воде и масле, высокотемпературной газовой цементации с по­ следующей закалкой, нитроцементации с закалкой и отпуском и др.

Для постоянного контроля за процессом производст­ венных испытаний был выделен ряд деталей печного обо­ рудования с наиболее'тяжелыми условиями работы (вы­ сокая температура, науглероживающая среда, резкие

90

термические удары,	большие	механические нагрузки
и ир.). Термические	агрегаты,	ход производственных

испытаний на которых контролировался, целиком ком­ плектовались опытными партиями деталей: из новой ста­ ли и стали ЗХ25Н19С2Л (или ЗХ18Н11СЛ, ЗХ18Н25С2Л) по возможности в равном количестве. Каждая партия де­ талей имела свою отличительную метку. Контроль осу­ ществлялся периодически, через каждые две-три недели в течение всего процесса испытаний. По мере выхода из строя деталей печи доукомплектовывались. Испытания проводились на крупных партиях в течение длительного времени (от нескольких месяцев до 2—3 лет). /Детали из опытной стали испытывались в различных цехах завода (термическом, кузнечно-прессовом, сталелитейном и др.) на действующих термических агрегатах в условиях массового производства под строгим контролем. Номен­ клатура опытных деталей, нх характеристика и режимы работы термических агрегатов приведены в табл. 13, эскизы некоторых наиболее характерных деталей — на рис. 24.

Из таблицы и рисунка видно, что испытания стали в основном производились в качестве материала поддо­ нов проходных непрерывно действующих термических печей. Поддоны являются основными деталями печей. На них нагружаются обрабатываемые детали значитель­ ного веса (в ряде случаев вес погруженных деталей пре­ вышает 1 т), и они вместе с этими деталями по направля­ ющим роликам проталкиваются через печь, поступают на закалку в водяную п масляную ванну, затем идут на отпуск пли другие операции. После окончания режима термообработки поддоны вновь поступают на загрузку, и цикл повторяется. Продолжительность цикла термооб­ работки деталей в среднем составляет около 3 ч. Решет­ ки и оправки работают в цементационных шахтных печах. Цикл термообработки в них более продолжителен

(18	ч), но и температура также более высокая (до
950	°С). От стойкости поддонов, решеток и оправок зави­

сит надежность работы термических печей. Обычно срок службы их ниже, чем у других деталей. Как видно из таб­ лицы, при круглосуточной работе он составляет несколь­ ко месяцев, а таких деталей, как, например, реторты (рис. 24),— 1 год и более. Быстрый выход из строя поддонов, решеток и оправок возможен главным обра-

51

	Детали		термических печгй,		на	которых	производили
				В е с ,
Д е т а л ь		Н о м е р д е т а л и		кг		А г р е г а т
Роликовый	поддон		112671	47	Двухрядная толкательная
						печь
Поддон			5215-178	60	Однородный		закалочно-
						отпускной	агрегат
Поддон для деталей			6-756	30	То	же
с вытянутой осью
Оправка		ТБ-49-00-01		20	Цементационная			печь
						Ц-105
Решетка		ТБ-48-00-02		50	То	же
Поддон		11161202А			Нормализационная				меха­
						низированная печь
			220-1 а	40	Закалочно-отпускной
						агрегат Т-140
			6-2077	40	Безмуфельный			нитроце-
						ментационный агрегат
			5215-150	100	Нормализационная				печь
зом вследствие их			растрескивания		и	коробления.			Рас­
трескивание происходит при быстрых теплосменах									(тер­
мических	ударах)		во время	закалки обрабатываемых

деталей и последующих нагревов, а коробление — вслед­ ствие ползучести металла при высоких температурах под действием значительных напряжений, возникающих от веса нагруженных деталей.

Процесс окалинообразования, протекающий во время работы деталей при высоких температурах, для разра-

92

						Т а б л и ц а		13
сравнительные испытания сталей, и режим их работы
					С р о к с л у ж б ы , м е с я ц ы
8					3X 2 5 H 19С 2Л		ЗХ 1 5 Н 1 3 Ю З
£-		Р е ж и м р а б о т ы
И	6-
оКл и че	'
	гар е г а					ч е с к и й	ч е с к и й
					н о р м а т и в н ы й	ф а к т и ­	ф а к т и ­
128		Закалка с 880+10 °С в		воде,	3	3,1	3,4
		отпуск 610 + 20 °С
36		Закалка с 860 + 20 °С в		воде,	—	1,3	2,0
		отпуск 580 + 20 °С
34		То же			2	3,0	6,0
	1	Цементация 940±10°С ,			4	3	Болес 4
		закалка с 850+10 °С в
		масле, отпуск	560 + 20° С,
		продолжительность		цикла
		18 ч
		То же			4	1 5а	4,0
						СД С
58		Нормализация при	960 + 20 °С		3	3	3,5
28		Закалка с 850 + 20 °С в масле,			3	2,5	3
		отпуск 650 °С и охлаждение
		в воде
44		Температура по зонам,		°С:	6 (для стали		Более	9
		/ —830; / / —/ / / —870;		IV—	ЗХ18Н25С2)
		850; V—840+10. Закалка с
		840 °С в масле, отпуск
		170 °С
		Нормализация 930 + 20 °С			4	—	—

ботанных и упомянутых выше жаростойких сталей ЗХ25Н19С2 и ЗХ18Н11С хотя и играет определенную роль, но не является главным в определении их срока службы в указанных в таблице агрегатах. Это положе­ ние подтверждается стойкостью деталей, работающих в одних и тех же печах при одинаковой температуре, под­ верженных резким теплосменам и не испытывающим значительных температурных колебаний. Так, например, решетки цементационных печей, периодически резко ох-

ЭЗ

лаждаемые в масляной ванне, вместе с закаливаемыми деталями служат до растрескивания, выводящего их из дальнейшей эксплуатации, не более 3 месяцев при круг­ лосуточной работе. Реторты же этих печей, несмотря на то что их рабочая температура в среднем даже несколь­ ко выше, чем решеток, служат до 1 года. При резких теплосменах в деталях термических печей возникают большие термические напряжения, превышающие пре­ дел прочности материала, из которого они изготовлены. Под действием этих напряжений возникают микро- и макротрещины, растущие от цикла к циклу и приводя­ щие к разрушению деталей, как правило, по термиче­ ским узлам.

На рис. 25 показаны поддоны различных термических печей, вышедшие из строя после длительной эксплуата­ ции в условиях резких теплосмен. Причинами выхода из строя поддона 220-1а закалочно-отпускного агрегата, как видно из рис. 25, а, являются образование трещин в

термических узлах и коробление	(прогиб под нагруз­
кой). Три небольших углубления,	видных на передней
стенке поддона,— место подвода	питателей литниковой

системы. Слишком массивные направляющие, в которых

при кристаллизации		образуется		усадочная рыхлота и
утяжпны, прежде всего			подвергаются трещинообразо-
ванию. В местах подвода			питателей также образуются
усадочные раковины и рыхлота,				а подвод их в зоне дей-
Л А
----
п г г т л п г т	□ □
ПГ 1 1 1! 1П	□	□
□1 II II ]□	□	□ 4J
п г т п п п	□	□
□1 1..1 11_Ю	□	□
□ г т т п п п	□	□
□1 1 1 1ПЮ	□	□
□ U ...1JU D	п	п

Пзддеи 5215~

А ‘А

ПШюШША 1т МшряШ трпаечеецп-

• r тюО new

□ □ □ □	ШСЮ 4i
JHHFi □ □ Г
вппш~ШГ	Ш С
	Ш Й Э

	Педдоч HZS71
	отливаемые из стали ЗХ15Н13ЮЗ
94	95

стгиы максимальных изгибающих нагрузок, как это име­ ет место на данном поддоне, приводит к пластической деформации, выводящей его из строя. Чтобы избежать

этого, следует литниковую систему	подводить к		торцо­
вым стенкам, которые не работают	на	изгиб,	так как
нагрузка равномерно распределена	па	направляющие.

Па рис. 25 показаны также вышедшие из строя поддоны

нормализацпонной	печи, работающей	при температуре
до 980 °С (б), п нптроцементацпонного			безмуфельного
агрегата, функционирующего при 880		840 °С с закал­
кой в масле (в, г).
Как видно из рисунка, образование и развитие в них
трещин также, идет	главным образом	по	термическим

узлам. Масса металла в этих узлах значительно больше, и охлаждение при закалке, следовательно, идет медлен­ нее. В то время когда более тонкие участки уже имеют относительно низкую температуру и обладают достаточ­ ной прочностью, металл массивных участков еще нахо­ дится при повышенных температурах п в результате имеет пониженную прочность, вследствие чего и разру­ шается в первую очередь под действием термических напряжений. В этом случае значительное влияние на срок службы поддонов оказывает их конструкция п тех­ нология заливки. При уменьшении массы металла в тер­ мических узлах снижается также п трещннообразованне в них. Это хорошо видно на примере поддона 6-2077 безмуфельного агрегата. Когда его стали отливать с от­ верстиями в местах пересечения ребер (рис. 25, г), обра­ зование трещин в этих местах стало значительно мень­ шим.

Понижение термостойкости, образование трещин и коробление деталей термических печей во время рабо­ ты — процесс необратимый и объясняется структурными изменениями в металле, из которого они изготовлены, происходящими во время длительной эксплуатации при высоких температурах. Эти изменения рассмотрены ниже.

Вследствие низкой теплопроводности сталей аусте­ нитного класса, из которых изготавливаются поддоны и другие ответственные детали термических печей, при получении из них фасонного литья в последнем также могут образовываться трещины. Количество уходящего в брак литья из-за горячих и холодных трещин является

Зак, 16

97

большим из пссх видов брака отливаемых деталей. Уменьшить его можно за счет снижения температуры заливки форм, выбора рациональной конструкции и рас­ чета литниковой системы с подводом питателей в наибо­ лее тонкие места отливок. Важную роль в продолжитель­ ности работы поддонов играет, конечно, и правильность их конструкции в отношении обеспечения равномерной, не слишком большой нагрузки.

Для проведения производственных испытаний стали ЗХ15Н13ЮЗЛ в качестве материала для поддонов 112671 было выплавлено три плавки этой стали (55, 100 и 106), отлита крупная партия поддонов н установлена

на действующую толкательную печь	закалочно-отпуск­
ного агрегата сталелитейного цеха.	Одновременно про­
водились испытания поддонов из	стали Х25Н19С2Л

(плавки 64, 68, 78). Поддоны эксплуатировались по сле­ дующему режиму: нагрев до температуры закалки (880± 10 °С) п охлаждение на воздухе.

Результаты сравнительных испытаний показали, что срок службы поддонов 112671 из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ составляет более 3,4 месяца, а из стали ЗХ25Н19С2Л — 3,1 месяца. Следует отметить, что, в то время как поддо­ ны из стали ЗХ25Н19С2Л испытывались до полного вы­ хода их из строя, испытания поддонов из новой стали были прерваны после 3,4 месяца из-за остановки печи для реконструкции. Находившиеся в эксплуатации под­ доны из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ имели к этому времени еще

вполне удовлетворительное состояние.
Сравнительные	производственные испытания стали
на поддонах 5215-178 показали,		что	срок их службы из
стали ЗХ15Н13ЮЗЛ	составляет 2		месяца,	а из стали
ЗХ25Н19С2Л— 1,3	месяца. Было		также	установлено,
что в процессе эксплуатации		термические трещины на

поддонах из стали ЗХ25Н19С2Л образуются значительно раньше и разрушение идет интенсивнее, чем на поддонах из новой стали.

Производственные испытания стали ЗХ15Н13ЮЗЛ в качестве материала для поддонов 6-756 проводились в кузнечно-термическом цехе на закалочно-отпускном аг­ регате. Для испытаний были поставлены параллельно две партии поддонов из стали ЗХ25Н19С2 и ЗХ15Н13ЮЗ по 20 шт. в одну и ту же печь.

Испытания показали следующие результаты.

98

Поддоны из стали ЗХ151ПЗЮЗЛ (плавка 96) в тече­ ние 4,5 месяца не имели дефектов. Затем в течение полутора месяцев начали появляться термические тре­ щины и поддоны вышли из строя. Поддоны из стали ЗХ25Н19С2Л (плавки 73, 78) не имели дефектов только в первые 2 месяца. В. течение третьего месяца эксплуа­

тации все поддоны вышли		из	строя. Общая продолжи­
тельность	срока службы	поддонов 6-756		составила: из
стали	ЗХ15ШЗЮЗЛ— 6		месяцев;	из	стали
ЗХ25Н19С2Л — 3 месяца.
Производственные испытания стали ЗХ15Н13ЮЗЛ в
условиях	высокотемпературной		газовой	цементации с

последующей закалкой проводились на приспособлениях

(оправка ТБ-49-00 и решетка ТБ-48-00-02)		в	цемента­
ционных печах типа Ц-Ю5. На испытание		была уста­
новлена партия деталей — 26 решеток и 14		оправок из
стали ЗХ15Н13ЮЗЛ (плавки 222, 223)	и партия		детален
из стали ЗХ25Н19С2Л— 8 оправок и	18 решеток (плав­

ки 252 и 254). После месяца работы начали появляться трещины по второму кольцу решеток из стали ЗХ25Н19С2Л; на решетках из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ таких дефектов не было обнаружено в течение 2 месяцев испы­ таний. Через 3,5 месяца от начала испытаний детали из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ находились в значительно лучшем состоянии, чем детали из стали ЗХ25Н19С2Л после 2,5 месяца испытания. Так, например, все решетки из новой стали имели по две-четыре трещины по первому кольцу и только одна решетка — две трещины по второму коль­

цу, а все решетки из	стали	ЗХ25Н19С2Л имели по три-
пять трещин как по	первому, так и по		второму кольцу.
Из строя к этому времени		вышли одна	решетка и две

оправки из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ и две решетки и три оп­ равки из стали ЗХ25Н19С2Л. В итоге сравнительные ис­ пытания показали, что партия приспособлений, изготов­ ленных из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ, после 3,5 месяца экс­ плуатации в цементационной печи имеет в 2 раза меньше термических трещин, приводящих к выходу из строя, по сравнению с партией приспособлений, изготовленных из стали ЗХ25Н19С2Л, после 2,5 месяца эксплуатации.

В термическом отделении кузнечного корпуса на двухрядную механизированную нормализационную печь были установлены две партии поддонов П 161202А, изго­ товленных из экспериментальной стали ЗХ15Н13ЮЗЛ —

7*

99

IG пгг. (плавка 334) п из стали 3X251119С2Л — 20 шт. (плавка 139). Испытания показали, что поддоны из ста­ ли ЗХ15ШЗЮЗЛ имеют среднюю стойкость 3,5 месяца, что на 0,5 месяца превышает нормативную, и не уступа­ ют по стойкости поддонам из стали 3X251II9С2Л.

Втермическом цехе на закалочно-отпускном агрегате

Т-140/85 были установлены на испытания поддоны 220-1а из стали ЗХ25Н19С2Л — 18 шт. и из стали

ЗХ15Н13ЮЗЛ		— 13 шт.	Все поддоны		из	стали
ЗХ25Н19С2Л		(плавка 139)	вышли из строя		после 2,5
месяца	эксплуатации.		Шесть	поддонов	из	стали
ЗХ15Н13ЮЗЛ		(плавка 75)	вышли	из строя	после 2,5

месяца, остальные семь простояли 3 месяца.

В термическом цехе на безмуфельпом агрегате нахо­ дились на испытании две партии поддонов 6-2077/63822: 23 из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ (плавка 135) и 16 из стали

ЗХ25Н19С2Л.

Проверкой после 9 месяцев эксплуатации установле­ но следующее: 19 поддонов из экспериментальной стали ЗХ15Н13ЮЗЛ остались в эксплуатации, т. е. выход из строя составил 17,3%; из оставшихся поддонов 11 не

имеют трещин.

Поддонов из стали ЗХ25Н19С2Л осталось семь, т. е. выход из строя составляет 56,2%; из них два не имеют

трещин.

Сравнительные испытания стали ЗХ15Н13ЮЗЛ и ста­ ли ЗХ18Н11С проводились на поддоне 5215-150 нормализационной печи. Предварительные результаты испыта­ ний показали значительно более длительный срок служ­ бы поддонов из стали ЗХ15Н13ЮЗ. Однако из-за большой продолжительности этих испытаний (более 1 года) закончить их не удалось. Следует заметить при этом, что содержание никеля в стали ЗХ18Н11С было завышенное

и составляло	13,7% (см. табл.		11), т. е. такое же, как и
в стали ЗХ15Н13ЮЗ. Помимо указанных в табл.						13, бы­
ло отлито и испытано большое			количество других дета­
лей различных термических		агрегатов		из новой стали
взамен стали ЗХ25Н19С2.		Среди них		были	крупные
детали, такие,	как например реторты			цементационных
печей (верх и низ) весом		430 и 500 кг		соответственно;
кроватка весом 850 кг сложной			конфигурации;			мелкие
детали типа	колпачков для агрегата отжига				и заливки
цеха точного стального литья весом 3 кг				и др.	Почти все

100

эти детали были получены без литейных дефектов и пос­ ле соответствующей обработки устанавливались на дей­ ствующие агрегаты, где успешно работали. Часть из них устанавливалась на агрегаты после требуемой по ТУ механической обработки и сварки. Обработка этих дета­ лей показала, что сталь ЗХ15Н13ЮЗЛ вполне удовлетво­ рительно обрабатывается резанием и сваривается.

Все жароупорное литье из стали ЗХ15И13ЮЗЛ под­ вергалось тщательному осмотру для выявления трещин и спаев. При этом составлялись акты проверок качества жароупорного литья как из новой стали, так и из стали ЗХ25Н19С2Л. Анализ актов показывает, что жаростой­ кая сталь ЗХ15Н13ЮЗЛ более трещиноустойчива, чем сталь ЗХ25Н19С2Л, а также менее склонна к образова­ нию спаев. За контрольный период литье из жаростойкой стали ЗХ15Н13ЮЗЛ успешно прошло проверку, было отправлено в термический, кузнечный и другие цехи МТЗ и установлено на действующие термические агрега­ ты. Литье из жаростойкой стали ЗХ25Н19С2Л частично браковалось по горячим трещинам и спаям, а в некото­ рых плавках почти все отливки имели трещины или спаи.

Таким образом, длительные производственные испы­ тания стали ЗХ15Н13ЮЗЛ показали, что она имеет более высокие эксплуатационные и технологические свойства, чем сталь ЗХ25Н19С2Л. Поддоны и другие детали тер­ мических печей из стали ЗХ15Н13ЮЗЛ не уступают по стойкости поддонам, изготовленным из стали ЗХ25Н19С2Л, а в некоторых случаях срок их службы гораздо выше (на однорядном закалочно-отпускном и безмуфельном агрегатах — в 2 раза).

Сталь ЗХ15Н13ЮЗ как более стойкий и значительно более дешевый материал рекомендуется в качестве ма­ териала для изготовления тяжело нагруженных деталей термических печей, работающих при температуре 800— 1000 СС, взамен стали ЗХ25Н19С2Л.

2. Микроструктура отливок

Описанные и представленные в этом параграфе мик­ рофотографии структур стали сделаны на шлифах, выре­ занных из поддонов и других деталей, в литом состоянии после получения отливки и после длительного периода эксплуатации в различных термических агрегатах.

101